?桔妹導讀：隨著云規模不斷擴大以及業務層面對延遲、帶寬的要求越來越高，采用DPDK 加速網路報文處理的方式在橫向縱向擴展都出現了局限性，可編程芯片成為業界熱點，本文主要講述了可編程網卡芯片在滴滴云網路中的應用實踐，遇到的問題、帶來的收益以及開源社區貢獻，

1. 資料中心面臨的問題

隨著滴滴云規模的不斷擴大，業務層面對延遲以及帶寬的要求越來越高，2018年滴滴云網路團隊上線了基于開源社區的OVS-DPDK方案，DPDK是X86平臺報文快速處理的庫和驅動的集合, 其主要優勢為通過Bypass Linux內核，Hugepage記憶體以及PMD(Poll Mode Driver)模型驅動的方式實作加速，我們為OVS-DPDK提供了在線熱升級功能，該功能保證了在升級程序中虛擬機業務無感知，并且網路Downtime時間為毫秒級別，同時我們優化了OVS-DPDK資料轉發平面，實作了不同物理主機上的虛擬機網路延遲<150us，單核性能約~400w pps(雙向)，

滴滴內部上云、高性能計算HPC，以及機器學習，對網路提出了更高的要求，通過CPU DPDK處理報文的方式，雖然在性能以及延遲方面遠優于基于Linux 內核的轉發實作，但CPU DPDK已經不能滿足資料中心流量激增帶來的需求，

2. 技術方案選擇

云網路環境中，在計算節點DPDK不會占用過多的CPU，否則會影響CPU售賣，一般會使用1-2 CPU用于資料報文處理，同時DPDK 處理資料報文的性能強依賴CPU算力，因此在計算節點網路的橫向擴展以及縱向擴展都具有局限性，

在邊際網關節點，我們可以通過擴展服務器的方式，提高網路處理容量進而滿足業務需求，但是大規模的擴展服務器，需要承擔更多的機器、功耗以及運維成本，

軟體定義網路（Software?Defined?Network，SDN）是一種新型網路創新架構，是網路虛擬化的一種實作方式，其核心思想是將網路設備的控制面與資料面分離開來，控制層面可以通過集中控制的方式實作不同的業務邏輯：拓撲發現，路由管理，安全策略，網路虛擬化等，資料平面更專注在資料報文轉發，2018年AWS re:Invent，AWS 介紹了Nitro System，該系統通過硬體芯片加速虛擬機IO處理(網路、存盤、安全等)，

目前工業界，加速網路處理的焦點聚集到了硬體層面：AISC，FPGA，P4，可編程網卡，以及智能網卡等，

3. 基于可編程芯片的解決方案

3.1 硬體芯片選擇

傳統AISC卡
該卡比較成熟，但業務邏輯固定，很難適應云上復雜的業務場景，
可編程門佇列FPGA
FPGA 實作網路加速需要專業FPGA技術人員，以及專業網路RD，同時在成本，和研發周期都需要具有一定的局限性，
P4
P4 具有靈活的可編程性，較為合適做為網關節點資料處理，并不適合在計算節點使用，同時價格也是需要考慮的因素，
可編程網卡芯片
通過調研發現，可編程網卡除了具有通用網卡的功能外，還可以通過下發流表規則的方式，實作報文匹配并對報文執行特定的action如：修改，封裝，以及轉發、上送報文至CPU等，這種具有靈活性、可編程性的??硬體芯片，能夠滿足快速迭代的需求，

3.2 轉發模型

為了滿足網元業務靈活性、多樣性的需求，我們將網元業務和底層平臺功能分離，舍去了傳統的資料面Pipeline轉發模型，采用了類似Open Flow的macth+action的方式，這樣不同的match規則和不同action 匹配能夠實作不同的業務邏輯，這種弱依賴的關系能夠剝離了業務和底層細節，方便業務功能迭代、快速上線，同時底層可編程芯片的更新不會對業務邏輯產生影響，

3.3 網路平臺化

隨著??云上業務場景的復雜化，以及上云的客戶越來越多，云上網路的功能也復雜化，為了統一計算節點以及網關節點功能，我們實作了統一的編程框架，這樣能夠快速開發不同功能的網關節點，減少運維負擔，

3.4 落地實踐

我們基于OVS-DPDK Offload 框架實作流表規則offload，OVS 采用首個報文觸發的方式下發硬體流表規則，該方式的優點為在必須的時候下發規則，能夠達到節省流表的目的，但是缺點卻會導致首個報文延遲，經調研我們發現網卡支持至少百萬級流表量(使用x86記憶體或者其他擴展記憶體)，最終我們舍去OVS-DPDK ofproto 轉發層，使用dpctl 介面下發流表，這樣就不存在首個報文延遲問題，同時也縮減了使用TC Flower時資料面過多問題(這些轉發平面包括：硬體芯片轉發，TC資料面，OVS Linux 內核模塊轉發，以及ofproto層)，我們修改了OVS-DPDK 流表老化方式，保證通過dpctl 下發的規則不會被洗掉，最后通過upcall limit 限制了upcall 報文處理，滴滴云網路資料平面主要分為兩大部分：計算節點和網關節點，計算節點主要負責虛擬機、容器網路的虛擬化，網關節點主要負責各種邊際節點業務如：SLB負載均衡、vRouter EIP報文處理，分流器、SNAT、FullNAT、云企業網等，可編程網卡芯片通過平臺化的方式在兩個主要節點均有應用，

SLB負載均衡
提供四層負載均衡，根據用戶策略將underlayer網路報文分發到虛擬網路服務節點，
vRouter
提供彈性EIP服務，用戶可以將一個公網IP地址系結到虛擬機、容器、或者裸金屬，從而獲得公網訪問功能，
iRouter
將滴滴資料中心和滴滴云虛擬網路打通，滴滴資料中心可以方便快捷的訪問云上資源，
SNAT
為虛擬機、容器以及裸金屬提供訪問公網服務，
云企業網互聯
互聯服務支持將滴滴云上的多個VPC網路加入云互聯，任意兩個VPC網路即可實作資源之間的互訪，
計算節點
在計算節點主要有兩大應用場景：一種場景為在計算節點為虛擬機、容器提供VPC服務(網路隧道，限速，轉發，報文修改，公網服務)，RDMA網路，另外一個場景使用智能網卡為裸金屬提供VPC服務，

3.5 遇到的問題

在調研開發程序中遇到諸多問題，在這里和大家總結分享下:

OVS-DPDK 支持Offload 程度有限
首先OVS 社區并對DPDK Offload介面(rte flow)支持有限：實作的action非常有限，需要使用者獨立完成開發：如set action，meter offload，vxlan 隧道報文處理等，
埠轉發限制
目前mellanox網卡芯片并不支持從一個PF埠轉發到該芯片另一個埠，最終我們通過SRIOV+Hairpin的方式解決該問題，據了解后續的網卡芯片開始支持該功能(功能也受限于韌體)，
Open vSwitch Crash
在洗掉包含meter action 流表規則時，OVS 行程退出，該問題最終確認為DPDK的一個bug，目前該問題已經修復，發送到社區并接收，http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=0d7d180a0dda4b97021fc1f580d6bfe3b42a332d

呼叫DPDK Meter API 介面導致crash，目前該問題已經修復，發送到社區并接收，
http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=4f19f4140e058c92822f228dcdc55c44bd88b613

修改OVS 配置導致洗掉offload flow crash，目前該問題已經修復，發送到社區并接收，https://github.com/openvswitch/ovs/commit/058b80d3de31b2c539d9e6f5f6687bde78ef08e9

Meter offload
OVS社區沒有實作該功能，我們根據業務特征抽象出介面并在OVS實作了meter offload，該系列補丁檔案正在OVS 社區review，不久會進入upstream，
Decap/Encap 流表限制
下發多條帶有decap/encap的流表規則時報錯，該問題最終確認為DPDK的一個bug，目前該問題已經修復，與社區maintainer 協同修復，http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=64927f72a72fad39898b084e0cf66cc97b40959f
Decap + Meter action限制
decap + meter 做為action 下發規則時失敗，該問題最終確認為DPDK的一個bug，目前該問題已經修復，與社區maintainer 協同修復http://git.dpdk.org/next/dpdk-next-net/commit/?id=431f199883e5b7eeea87a2f9f0272daf3354c1da
Hairpin 性能問題
在高并發情況下，mellanox 網卡芯片性能會下降約40%，最終確認是網卡驅動hairpin問題，目前mellanox 確認該問題并給出修復方式，
流表數目限制
通過洗掉流表上限修復該問題：https://github.com/openvswitch/ovs/commit/df5c293642cc07013e796e588eb7aead917e20a1
MAC 地址對VxLAN的影響
物理主機源MAC地址變更后vxlan 報文依舊使用原來MAC地址，這樣會導致收不到回應報文：
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/?id=6707f74be8621ae067d2cf1c4485900e2742c20f
多次修改報文不生效問題
多次使用TC Flower pedit 修改報文，offload 不生效問題, 最終確認是內核驅動問題：
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/?id=218d05ce326f9e1b40a56085431fa1068b43d5d9
配置vf rate、mac不當導致內核crash
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/?id=6e77c413e8e73d0f36b5358b601389d75ec4451c

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/netdev/net-next.git/commit/? id=24319258660a84dd77f4be026a55b10a12524919

3.6 性能資料

以實作的vRouter 彈性公網網關為例(基礎網路10Gpbs)：

pps(64B)	Mpbs(64B)	pps(1500B)	Mpbs(1500B)
9495892	8660.25	811935	10067.98

業務延遲資料如下(使用pktgen-dpdk latency)：

背景流量	網關延遲
10W條流表以及并發1Gbps 64B流量	3u
10W條流表以及并發5Gbps 64B流量	6u

4. 開源社區貢獻

除了為開源社區提供 bug patch，我們也將新增特性、性能優化patch回饋至開源社區：OVS、DPDK、Linux 內核社區(約80+ patch), 其中Linux 內核補丁串列如下：

團隊介紹

滴滴云平臺事業群滴滴SDN網路團隊負責云網路產品的規劃、設計、以及研發等作業，為公有云提供負載均衡SLB、專有網路VPC、彈性公網EIP、SNAT 以及云互聯等服務，團隊針對云網路業務需求，在Linux 內核網路虛擬化、DPDK、OVS、可編程芯片、RDMA、智能網卡以及系統優化等領域均有廣泛深入的研究，團隊具有多名開源社區contributor，涉及OVS、DPDK、Linux 內核等，

作者介紹